DE102004044111B4 - Method and device for coding and reconstructing computer-generated video holograms - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kodieren und Rekonstruieren von großformatigen computergenerierten Videohologrammen mittels Displays mit minimaler Auflösung für einen großen Betrachterwinkel mit hoher räumlicher Bildqualität. Das Display enthält ein Panel mit steuerbaren matrixförmigen Pixelanordnungen, welche die Amplitude und/oder Phase von Licht elektronisch beeinflussen.The invention relates to a method and apparatus for encoding and reconstructing large format computer generated video holograms using minimum resolution displays for a large viewing angle with high spatial image quality. The display includes a panel of controllable matrix pixel arrays that electronically affect the amplitude and / or phase of light.
Im vorliegenden Dokument bezeichnet der Begriff Pitch den Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Pixel des Displays und kennzeichnet damit die Displayauflösung.In the present document, the term pitch denotes the distance between the centers of two adjacent pixels of the display and thus characterizes the display resolution.
Außerdem bezeichnet im vorliegenden Dokument der Begriff Kodieren die Art und Weise, die Pixelanordnung mit Steuerwerten zu beaufschlagen, um daraus eine dreidimensionale Szene holografisch zu rekonstruieren, welche durch Betrachterfenster hindurch sichtbar ist.Additionally, in the present document, the term encoding refers to the manner of applying control values to the pixel array to holographically reconstruct a three-dimensional scene that is visible through viewer windows.
Geeignete Displays sind gegenwärtig als Amplituden- oder Phasendisplays beispielsweise in LCD-Technologie verfügbar. Die Erfindung kann jedoch ebenso für andere steuerbare matrixförmige Pixelanordnungen angewendet werden, welche kohärentes Licht nutzen.Suitable displays are currently available as amplitude or phase displays, for example in LCD technology. However, the invention can also be applied to other controllable matrix pixel arrays which use coherent light.
Ein wesentliches Problem beim Kodieren und Rekonstruieren von großformatigen computergenerierten Videohologrammen stellt ein ausreichend großer Betrachterbereich zum Betrachten der Rekonstruktion dar. Gegenwärtig verfügbare großformatige Displays weisen Pixelanordnungen mit Pitchs auf, die nur in einen sehr kleinen Betrachterbereich das Licht beugen, so dass beidäugiges Betrachten einer rekonstruierten dreidimensionalen Szene nicht möglich ist. Um einen Sichtwinkel von etwa 60° zu erreichen, müsste der Pitch der steuerbaren Pixel etwa 1 μm betragen. Derartige hochauflösende Displays sind gegenwärtig nicht verfügbar. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass selbst bei Verfügbarkeit solcher Displays die erforderlichen Datenraten zur Berechnung, Ansteuerung und Übertragung der Steuerdaten sehr hohe Anforderungen an die Rechentechnik stellen.A major problem in encoding and reconstructing large format computer generated video holograms is a sufficiently large viewer area for viewing the reconstruction. Presently available large format displays have pixel arrays with pitches that diffract light only in a very small observer area, so that binocular viewing of a reconstructed three dimensional Scene is not possible. In order to achieve a viewing angle of about 60 °, the pitch of the controllable pixels would have to be about 1 μm. Such high-resolution displays are currently not available. A further disadvantage is that even with the availability of such displays, the required data rates for the calculation, control and transmission of the control data place very high demands on computer technology.
Es sind verschiedene Vorschläge zur Lösung dieses Problems bekannt.There are several suggestions for solving this problem.
In der von Maeno und anderen in „Electro-holographic Display using 15 Mega Pixels LCD”, Advanced 3D Project, 1996, SPIE, Vol. 2652, beschriebenen Anordnung ist das Problem einer Vergrößerung des Betrachterbereiches dadurch gelöst, dass anstelle eines konventionellen LC-Displays mit geringer Auflösung zur Darstellung des computergenerierten Videohologramms fünf spezielle Displays mit höherer Auflösung verwendet werden. Diese sind im so genannten Tiling-Verfahren entweder direkt oder durch optische Abbildung aneinander gesetzt. Es wird nur eine horizontale Parallaxe erzeugt, auf die vertikale Parallaxe wird verzichtet. In einem Beispiel werden zur Darstellung eines Videohologramms 3200×960 Pixel benötigt, um eine Szene von nur 50 mm × 150 mm mit einer Tiefe von 50 mm zu rekonstruieren. Der Betrachterbereich ist 65 mm breit, was dem Augenabstand entspricht, so dass das Bild mit beiden Augen gerade noch zu betrachten ist. Die erforderliche Auflösung hängt von der Größe des gewünschten Videohologramms und des Betrachterbereiches ab. Von Nachteil ist jedoch die erforderliche Vielzahl der Displays, die große Linse zur Rekonstruktion, die damit verbundene große Bautiefe und voluminöse Anordnung sowie die große benötigte Rechenleistung.In the arrangement described by Maeno and others in "Electro-holographic Display using 15 Mega Pixels LCD", Advanced 3D Project, 1996, SPIE, Vol. 2652, the problem of enlarging the viewer's range is solved by replacing a conventional LC display low-resolution display of the computer-generated video hologram five special displays with higher resolution can be used. These are placed in the so-called tiling process either directly or by optical imaging together. It is only a horizontal parallax generated on the vertical parallax is omitted. In one example, to display a video hologram, 3200 × 960 pixels are needed to reconstruct a scene of only 50 mm × 150 mm with a depth of 50 mm. The viewing area is 65 mm wide, which corresponds to the distance between the eyes, so that the picture is just visible with both eyes. The required resolution depends on the size of the desired video hologram and observer area. The disadvantage, however, is the required variety of displays, the large lens for reconstruction, the associated large depth and voluminous arrangement and the large computing power required.
Eine weitere Lösung zum Erweitern des Betrachterbereiches wird von Mishina u. a. beschrieben in „Viewing-zone enlargement method for sampled hologram that uses high-order diffraction”, Applied Optics, 2002, Vol. 41, No. 8. Das Verfahren rekonstruiert nicht nur ein Hologramm in der ersten Beugungsordnung, sondern auch in weiteren Ordnungen und fügt diese zu einem gemeinsamen Betrachterbereich zusammen. Die entsprechenden Videohologramme für ein bestimmtes Objekt sind zeitlich nacheinander auf einem LC-Display dargestellt. Mittels eines zweiten LC-Displays, das als Ortsfrequenzfilter dient, werden die verschiedenen Beugungsordnungen bei der Rekonstruktion herausgefiltert. Die sichtbaren Teilbereiche sind zeitsequentiell generiert und räumlich aneinandergereiht. Der erzielbare Betrachterbereich ist immer noch kleiner als 65 mm, so dass das rekonstruierte Objekt nur mit einem Auge zu betrachten ist. Nachteilig ist auch hier der hohe Rechenaufwand. Außerdem sind extrem schnell schaltbare Pixelanordnungen erforderlich.Another solution for expanding the viewer area is by Mishina u. a. described in "Viewing zone enlargement method for sampled hologram that uses high-order diffraction", Applied Optics, 2002, Vol. 8. The method reconstructs not only a hologram in the first diffraction order, but also in other orders and combines them to form a common viewer area. The corresponding video holograms for a specific object are shown one after the other on a LC display. By means of a second LC display, which serves as spatial frequency filter, the different diffraction orders are filtered out during the reconstruction. The visible subregions are generated in a time sequential manner and are strung together spatially. The achievable viewer area is still less than 65 mm, so that the reconstructed object is to be considered only with one eye. Another disadvantage is the high computational effort. In addition, extremely fast switchable pixel arrangements are required.
Bei der zeitsequentiellen Aneinanderreihung verschiedener Beugungsordnungen müssen die verwendeten Displays neben einer möglichst großen Auflösung auch eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen, wenn das Bild nicht flimmern soll. Deshalb verwendet man meist binäre Hologrammdarstellungen, die aber durch die Binärcodierung erhebliche Fehler erzeugen.In the time-sequential stringing together of different orders of diffraction, the displays used in addition to the largest possible resolution must also have a high switching speed, if the image should not flicker. This is why mostly binary hologram representations are used, but they produce significant errors due to the binary coding.
Ein gemeinsamer Nachteil bekannter holografischer Verfahren ist der hohe Rechenaufwand zur Erzeugung der Hologramme. Aus dem Dokument
In der Druckschrift
Eine linienförmige Lichtquelle kann beispielsweise eine abgedeckte konventionelle Lichtquelle sein, deren Licht durch einen schmalen Spalt strahlt.A line-shaped light source may be, for example, a covered conventional light source whose light radiates through a narrow gap.
Eine Lichtquelle kann im Sinne dieses Dokumentes als hinreichend kohärent angesehen werden, wenn Ihr Licht soweit räumlich kohärent ist, dass es interferenzfähig ist, so dass es zumindest für eine eindimensionale holografische Rekonstruktion mit hinreichender Auflösung geeignet ist. Diese Anforderungen können auch konventionelle Lichtquellen erfüllen, wenn sie durch einen hinreichend engen Spalt strahlen. Eine linienförmige Lichtquelle kann senkrecht zu ihrer Länge als punktförmig angesehen werden. Das Licht ist dann in dieser Richtung kohärent und senkrecht dazu aber inkohärent.For the purposes of this document, a light source can be regarded as sufficiently coherent if its light is spatially coherent so far that it is capable of interfering, so that it is suitable for at least one-dimensional holographic reconstruction with sufficient resolution. These requirements can also meet conventional light sources when they radiate through a sufficiently narrow gap. A line-shaped light source can be considered perpendicular to its length as a point. The light is then coherent in this direction and perpendicular to it but incoherent.
Um eine zeitliche Kohärenz zu gewährleisten, muss das Spektrum der Lichtquelle genügend schmalbandig sein. Die Farbinformation kann monochromatisch, zeitsequentiell oder durch Filtermittel räumlich in spektrale Anteile zerlegt werden. Die matrixförmig angeordneten elektronisch steuerbaren Pixel modulieren die Amplitude und/oder Phase des interferenzfähigen Lichtes. Für Pixelanordnungen, welche die Phase des kohärenten Lichts nicht direkt steuern können, kann das bekannte Detour-Phasen-Verfahren genutzt werden, um mit Hilfe von Amplitudeneinstellungen mit mehreren Pixeln pro holografischen Bildpunkt die Phase des Lichts einzustellen.To ensure temporal coherence, the spectrum of the light source must be sufficiently narrowband. The color information can be monochromatically, time-sequentially or spatially divided into spectral components by filter means. The electronically controllable pixels arranged in the form of a matrix modulate the amplitude and / or phase of the interference-capable light. For pixel arrangements which can not directly control the phase of coherent light, the known detour phase method can be used to adjust the phase of the light by means of amplitude settings with several pixels per holographic pixel.
Ausgehend von den aufgeführten Nachteilen der bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, dreidimensionale Szenen in Form von computergenerierten Videohologrammen mittels elektronisch steuerbarer matrixförmiger Pixelanordnungen mit einer minimal möglichen Auflösung, möglichst frei von Flimmern- und Übersprechen und in Echtzeit für beide Augen gleichzeitig in einem großen Betrachterbereich sichtbar darzustellen, so dass die benötigte Bildwiederholrate gegenüber dem bekannten Zeitmultiplexverfahren wesentlich geringer ist.Based on the listed disadvantages of the known solutions, the object of the invention is three-dimensional scenes in the form of computer-generated video holograms by means of electronically controllable matrix pixel arrangements with a minimum possible resolution, as free of flicker and crosstalk and in real time for both eyes simultaneously in a large View viewer area visible, so that the required refresh rate compared to the known time-division multiplexing method is much lower.
Zum Lösen der Aufgabe geht die vorliegende Patentanmeldung von einem Verfahren zum Kodieren und Rekonstruieren von Videohologrammen aus, bei dem optisch fokussierende Mittel kohärentes Licht einer linienförmigen Lichtquelle durch matrixförmig angeordneter steuerbarer Pixel hindurch in Betrachterfenster abbilden, welche in einer Beugungsordnung liegen, um eine in den steuerbaren Pixeln holografisch kodierte Szene zu rekonstruieren und durch Betrachterfenster sichtbar zu machen.To solve the problem, the present patent application is based on a method for encoding and reconstructing video holograms, in which optically focusing means image coherent light of a linear light source through controllable pixels arranged in a matrix into observer windows which are in diffraction order, one in the controllable Pixel holographically encoded scene to reconstruct and make visible through viewer window.
Erfindungsgemäß wird Licht benutzt, welches nur in vertikaler Richtung kohärent ist, um mit den steuerbaren Pixeln für beide Augen eines Betrachters jeweils eine vertikale eindimensionale Rekonstruktion von Hologrammen derselben Szene zu realisieren. Dieses geschieht in der Art, dass jeweils eine Spaltengruppe von horizontal verschachtelten Pixelspalten der matrixförmigen Pixelanordnung ein nur für ein Auge bestimmtes Hologramm enthält. Dabei entstehen zwei räumlich verschachtelte Hologramme einer Szene. D. h., alle Pixelspalten einer ersten Spaltengruppe der Pixelanordnung rekonstruieren ein Hologramm für ein Betrachterauge, während benachbarte Pixelspalten der zweiten Spaltengruppe das Hologramm für das andere Auge rekonstruieren. Da das in horizontaler Richtung inkohärente Licht die Szene konventionell abbildet, können bekannte Bildtrennmittel mit parallel zu den Spalten angeordneten Trennelementen zum Selektieren der beiden Hologramme auf das linke bzw. rechte Auge benutzt werden. Die Bildtrennmittel sind in einem Abstand zur Pixelanordnung angeordnet und geben die für das entsprechende Auge bestimmte Spaltengruppe frei und verdecken jeweils die Spaltengruppe für das andere Auge.According to the invention, light is used which is coherent only in the vertical direction in order to realize in each case a vertical one-dimensional reconstruction of holograms of the same scene with the controllable pixels for both eyes of a viewer. This is done in such a way that in each case a column group of horizontally nested pixel columns of the matrix-shaped pixel arrangement contains a hologram intended only for one eye. This creates two spatially nested holograms of a scene. That is, all pixel columns of a first column group of the pixel array reconstruct a hologram for a viewer eye, while adjacent pixel columns of the second column group reconstruct the hologram for the other eye. Since the horizontally incoherent light conventionally images the scene, known image separating means having separating elements arranged parallel to the columns can be used to select the two holograms for the left and right eyes, respectively. The image separating means are arranged at a distance from the pixel arrangement and release the column group determined for the corresponding eye and in each case hide the column group for the other eye.
Beide Augen sehen diese Hologramme gleichzeitig jeweils in einem separaten Betrachterfenster. Dabei führt die kohärente Beleuchtung in vertikaler Richtung von jedem Hologramm zur Rekonstruktion der Szene in Rekonstruktionsräumen, welche die Form eines Pyramidenstumpfes haben, während die inkohärente Beleuchtung in horizontaler Richtung den Einsatz von bekannten Bildtrennmitteln zum Selektieren der Hologramme für das entsprechende Auge ermöglicht, um aus beiden Hologrammen eine Rekonstruktion der Szene mit horizontaler Parallaxe bei beidäugiger Betrachtung zusammenzusetzen. D. h., beide Hologramme unterscheiden sich durch eine horizontale Parallaxe entsprechend dem Augenabstand. Die Pyramidenstumpfform der Rekonstruktionsräume entsteht als räumliche Begrenzung zwischen den Rändern der Betrachterfenster und den Rändern der Pixelanordnung, wobei die Pixelanordnung auch so kodiert werden kann, dass die Rekonstruktion auch in Rekonstruktionsräumen liegen kann, die sich hinter der Pixelanordnung fortsetzen.Both eyes see these holograms simultaneously in a separate viewer window. The coherent illumination in the vertical direction of each hologram leads to Reconstruction of the scene in reconstruction spaces, which have the shape of a truncated pyramid, while the incoherent illumination in the horizontal direction allows the use of known image separating means for selecting the holograms for the corresponding eye, to compose a reconstruction of the scene with horizontal parallax when viewed binocularly from both holograms , That is, both holograms differ by a horizontal parallax according to the eye relief. The truncated pyramid shape of the reconstruction spaces arises as a spatial boundary between the edges of the observer windows and the edges of the pixel array, wherein the pixel array can also be encoded so that the reconstruction can also lie in reconstruction spaces that continue behind the pixel array.
Als Bildtrennmittel kann eine Barrieremaske im Abstand zur Pixelmatrix angeordnet sein. Dann sind die Trennelemente transparente und nichttransparente Streifen, welche je eine der verschachtelten Spaltengruppen für das rechte beziehungsweise linke Auge eines Betrachters freigeben und für das jeweils andere Auge verdecken.As image separating means, a barrier mask may be arranged at a distance from the pixel matrix. Then the separating elements are transparent and non-transparent strips which each release one of the nested groups of columns for the right and left eye of one observer and cover them for the other eye.
Die holografisch codierten Spalten einer Gruppe rekonstruieren vorteilhaft Teilbilder entsprechend der Augenposition aus derselben Szene, die sich zu einer gesamten Rekonstruktion des Objektes bei beidäugiger Betrachtung zusammensetzen.The holographically coded columns of a group advantageously reconstruct subpictures corresponding to the eye position from the same scene, which are combined to form an overall reconstruction of the object in two-eyed viewing.
Die Reihenfolge der Ausführung der aufgeführten Verfahrensschritte kann variieren. Insbesondere kann das Fokussieren, holografische Modulieren und das Trennen der Hologramme miteinander vertauscht werden.The order of execution of the listed process steps may vary. In particular, the focusing, holographic modulating and separating the holograms can be interchanged.
Um die Betrachterfenster in einem großen Bereich für den Betrachter verfügbar zu machen, bestimmt ein Positionserfassungssystem die horizontale, vertikale und vorteilhaft auch die axiale Position der Augen des Betrachters, um bei Änderung der Augenposition die Lage und/oder den Inhalt der Betrachterfenster entsprechend zu aktualisieren.In order to make the viewer windows available to the viewer in a large area, a position detection system determines the horizontal, vertical and, advantageously, the axial position of the observer's eyes in order to update the position and / or the content of the observer windows as the eye position changes.
Bei vertikaler Bewegung der Augenposition des Betrachters werden die Betrachterfenster durch ein entsprechend vertikales Verschieben der Lichtquelle nachgeführt.With vertical movement of the eye position of the observer, the observer windows are tracked by a corresponding vertical displacement of the light source.
Bei horizontaler Bewegung der Augenposition des Betrachters werden die Betrachterfenster vorteilhaft durch horizontales Verschieben der Spaltengruppen gegenüber den Bildtrennmitteln nachgeführt. Alternativ dazu können auch die Bildtrennmittel, insbesondere deren Trennelemente gegenüber den Spaltengruppen verschoben werden. Der Einsatz der horizontalen, linienförmigen Lichtquelle vereinfacht das Nachführen der Betrachterfenster.With horizontal movement of the eye position of the observer, the viewer windows are advantageously tracked by horizontally moving the column groups relative to the image separating means. Alternatively, the image separating means, in particular their separating elements relative to the column groups can be moved. The use of the horizontal, linear light source simplifies the tracking of the observer windows.
Bei axialer Bewegung der Augenposition des Betrachters wird der Abstand von Lichtquelle und den optisch fokussierenden Mitteln positionsabhängig geändert.With axial movement of the eye position of the observer, the distance from the light source and the optically focusing means is changed position-dependent.
Das Nachführen der Betrachterfenster entsprechend der Augenposition des Betrachters vor dem Display gewährleistet die Sichtbarkeit der holografischen Rekonstruktion in einem großen Bereich bei gleich konstant hoher WiedergabequalitätThe tracking of the viewer window according to the eye position of the viewer in front of the display ensures the visibility of the holographic reconstruction in a wide range with the same constant high quality reproduction
Außerdem kann abhängig von der Augenposition mittels Software die Kodierung der Pixelanordnung so aktualisiert werden, dass die holografische Rekonstruktion in ihrer räumlichen Position ortsfest sichtbar wird. Alternativ dazu kann aber auch die Kodierung so aktualisiert werden, dass die Rekonstruktionen in ihrer räumlichen Position für den Betrachter entsprechend horizontal und/oder vertikal verschoben und/oder im Winkel gedreht sichtbar sind.In addition, depending on the eye position by means of software, the coding of the pixel arrangement can be updated so that the holographic reconstruction becomes spatially visible in its spatial position. Alternatively, however, the coding can also be updated such that the reconstructions in their spatial position are correspondingly horizontally and / or vertically displaced for the observer and / or rotated in an angle.
Eine Vorrichtung zum Kodieren und Rekonstruieren von Videohologrammen geht von einer linienförmigen Lichtquelle mit kohärentem Licht aus, die vertikal fokussierende Mittel und eine Pixelanordnung mit steuerbaren Pixeln aufweist, welche die Amplitude und/oder Phase des kohärenten Lichts modulieren.An apparatus for encoding and reconstructing video holograms starts from a coherent light linear light source having vertically focusing means and a pixel array with controllable pixels which modulate the amplitude and / or phase of the coherent light.
Erfindungsgemäß ist die Lichtquelle horizontal angeordnet, so dass ihr Licht in vertikaler Richtung kohärent und in horizontaler Richtung inkohärent ist. In steuerbaren Pixeln der Pixelanordnung sind eindimensionale Videohologramme in Pixelspalten so kodiert, dass eine erste und eine zweite Spaltengruppe für jedes Auge des Betrachters separat je ein eindimensionales, vertikal beugendes Hologramm aus derselben Szene für die jeweilige Augenposition kodiert, wobei beide Spaltengruppen in horizontaler Richtung verschachtelt sind. Die Verschachtelung der Pixelspalten erfolgt derart, dass Bildtrennmittel, welche im Strahlengang des Lichtes liegen, mit parallel zu den Spalten angeordneten Trennelementen die jeweilige Spaltengruppe für das entsprechende Auge des Betrachters freigeben und für das jeweils andere Auge verdecken.According to the invention, the light source is arranged horizontally, so that its light is coherent in the vertical direction and incoherent in the horizontal direction. In controllable pixels of the pixel array, one-dimensional video holograms are encoded in pixel columns such that a first and a second column group for each eye of the observer separately encode a one-dimensional vertically diffracting hologram from the same scene for the respective eye position, with both column groups nested in the horizontal direction , The interleaving of the pixel columns takes place in such a way that image separating means, which lie in the beam path of the light, release the respective column group for the corresponding eye of the observer with separating elements arranged parallel to the columns and obscure for the respective other eye.
Dadurch wird im Rekonstruktionsraum vor den Betrachterfenstern für jedes Auge das entsprechende Hologramm zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene freigegeben. Beide Hologramme unterscheiden sich durch eine horizontale Parallaxe entsprechend des Augenabstands des Betrachters. Die beiden holografisch codierten Spaltengruppen sind zwei holografische Rekonstruktionen ein und derselben Szene.As a result, the corresponding hologram for reconstructing the three-dimensional scene is released for each eye in the reconstruction space in front of the viewer windows. Both holograms differ by a horizontal parallax according to the eye distance of the observer. The two holographically coded column groups are two holographic reconstructions of the same scene.
Da die fokussierenden Mittel und die Pixelanordnung mit minimalem Abstand zueinander anzuordnen sind, ist deren Reihenfolge variierbar. Auch die Bildtrennmittel können mit ihren Trennelementen im Strahlengang an verschiedenen Orten angeordnet sein. Since the focusing means and the pixel array are to be arranged with a minimum distance to each other, their order is variable. The image separating means may be arranged with their separating elements in the beam path at different locations.
Die optisch fokussierenden Mittel sind vorteilhaft eine vertikal fokussierende Zylinderlinse, eine entsprechende Fresnellinse oder ein Lentikular.The optically focusing means are advantageously a vertically focusing cylindrical lens, a corresponding Fresnel lens or a lenticular.
Heutige transmissive Flachdisplays (LCD) lassen sich für großflächige Rekonstruktionen einsetzen. Zur Phasenkodierung kann man die Detour-Phasen-Kodierung verwenden. Die Pixelanordnung entspricht der eines hochauflösenden transmissiven Flachdisplays. Wenn zum Einstellen der Phasenbeziehung die Detour-Phasen-Kodierung oder eine ähnliche Methode mit Amplitudenmodulation des Lichtes benutzt wird, müssen die zur Phaseneinstellung benötigten Pixel senkrecht untereinander liegen, da das Licht horizontal nicht interferenzfähig ist. Die üblichen Flachdisplay-Pixelanordnungen von nebeneinander liegenden Sub-Pixeln werden deshalb um 90° gedreht. Besonders vorteilhaft können zur Lichtmodulation Pixelanordnungen eingesetzt werden, deren Pixel sowohl die Amplitude als auch die Phase des Lichtes direkt modulieren, wie die auf Freedericksz-Zellen basierenden Lichtmodulatoren.Today's transmissive flat panel displays (LCDs) can be used for large-scale reconstructions. For phase encoding you can use the detour phase encoding. The pixel arrangement corresponds to that of a high-resolution transmissive flat panel display. If detour phase encoding or a similar amplitude modulation method of light is used to adjust the phase relationship, the pixels needed for phase adjustment must be perpendicular to each other since the light is not horizontally interfereable. The usual flat display pixel arrangements of adjacent sub-pixels are therefore rotated by 90 °. Pixel arrangements can be used particularly advantageously for the light modulation, the pixels of which directly modulate both the amplitude and the phase of the light, such as the light modulators based on Freedericksz cells.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung können auch mehrere benachbarte Pixelspalten zu einer gemeinsamen Mehrfach-Pixelspalte zusammengefasst werden. Jede Mehrfach-Pixelspalte gehört dann zu einem der beiden Hologramme und wird als Ganzes durch die Bildtrennmittel für das entsprechende Auge sichtbar gemacht. In diesem Fall werden anstelle der einfachen Pixelspalten die Mehrfach-Pixelspalten beider Hologramme alternierend verschachtelt.According to an advantageous embodiment of the invention, a plurality of adjacent pixel columns can also be combined to form a common multiple pixel column. Each multiple pixel column then belongs to one of the two holograms and is made visible as a whole by the image separation means for the corresponding eye. In this case, instead of the simple pixel columns, the multiple pixel columns of both holograms are alternately nested.
Das Kodieren der Hologramme in Mehrfach-Pixelspalten verringert das Übersprechen. Wenn sich der Betrachter horizontal bewegt, können bis zum vollständigen Nachführen der Betrachterfenster Bildfehler wirksam unterdrückt werden. Vorteilhaft modulieren die Pixelspalten einer Mehrfach-Pixelspalte das Licht verschieden. Beispielsweise ist von zwei oder mehr benachbarten Pixelspalten jeder Mehrfach-Pixelspalten jeweils nur eine Pixelspalte zum Modulieren des Lichts aktiv, während die übrige und ggf. auch die nächste inaktiv sind. Dass heißt, diese sind schwarz getastet.Coding the holograms into multiple pixel columns reduces crosstalk. If the viewer moves horizontally, image errors can be effectively suppressed until the observer window is completely tracked. Advantageously, the pixel columns of a multiple pixel column differently modulate the light. For example, of two or more adjacent pixel columns of each multiple pixel columns, only one pixel column is active to modulate the light while the remainder and possibly the next are inactive. That means, they are black keyed.
Der Bewegungsspielraum ohne Übersprechen aus dem Hologramm für das andere Auge vergrößert sich entsprechend.The range of motion without crosstalk from the hologram for the other eye increases accordingly.
Damit entsteht zwischen beiden Betrachterfenstern eine gewünschte Zone, in der keine Rekonstruktion sichtbar ist. Ohne diese Maßnahme würde ein Betrachter bis zum Nachführen der Betrachterfenster in dieser Zone eine fehlerhafte Reproduktion wahrnehmen. Das Nachführen der Betrachterfenster in horizontaler Richtung kann nun beschleunigt werden, in dem das Positionserfassungssystem bei einer horizontalen Kopfbewegung innerhalb der Mehrfach-Pixelspalten verschiedene Pixelspalten aktiviert und deaktiviert.This creates a desired zone between both viewer windows in which no reconstruction is visible. Without this measure, a viewer would perceive a faulty reproduction until the observer windows in this zone were updated. The tracking of the observer windows in the horizontal direction can now be accelerated by the position detection system activating and deactivating different pixel columns during a horizontal head movement within the multiple pixel columns.
Die Bildtrennmittel können beispielsweise eine Barrieremaske, ein funktionsgemäß gestaltetes Lentikular oder eine Prismenmaske sein. Die Bildtrennelemente haben in vorteilhafter Ausgestaltung einen etwa doppelt so großen Pitch wie die zugehörigen Spaltengruppen der Pixelanordnung.The image separating means may be, for example, a barrier mask, a functionally designed lenticular or a prism mask. The image separation elements have an approximately twice as large pitch as the associated column groups of the pixel arrangement in an advantageous embodiment.
Zum fehlerfreien Betrachten der holografischen Rekonstruktion ist eine Betrachterfenstergröße erforderlich, welche mindestens der Größe der Augenpupille entspricht. Dieses würde jedoch eine sehr hohe Anforderung an die Genauigkeit und Schnelligkeit der Nachführung stellen, die praktisch nicht realisierbar wäre, so dass die Betrachterfenster in der Praxis größer sein müssen. Die Höhe des Betrachterfensters kann aber die Ausdehnung des Periodizitätsintervalls nicht überschreiten. Ebenso ist es erforderlich, die Betrachtungsfenster in ihrer Breite einzustellen. Dieses erfolgt ausgehend von der Breite der Pixelspalten durch Abstimmen mit den Dimensionen der Bildtrennmittel insbesondere dem Abstand und der Breite der Trennelemente.For error-free viewing of the holographic reconstruction, a viewer window size is required which corresponds at least to the size of the eye pupil. However, this would place a very high demand on the accuracy and speed of tracking, which would be practically unrealizable, so that the viewer window must be larger in practice. However, the height of the observer window can not exceed the extent of the periodicity interval. It is also necessary to set the viewing window in their width. This is done starting from the width of the pixel columns by matching with the dimensions of the image separating means, in particular the distance and the width of the separating elements.
Beide Betrachterfenster sind mit ihren Mittelpunkten etwa im Augenabstand angeordnet.Both viewer windows are arranged with their centers approximately at eye relief.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass anstelle eines Zeit-Multiplex-Betriebes des Displays mit seiner doppelten Bildfrequenz ein Raum-Multiplex-Betrieb realisiert wird. Dabei werden gleichzeitig zwei räumlich verschachtelte holografische Rekonstruktionen einer dreidimensionalen Szene mit einer einzigen Pixelanordnung kodiert, welche ein Betrachter infolge einer Bildtrennung separat sieht. Dieses ermöglicht ein Halbieren der Bildfolgefrequenz.A significant advantage of the invention is that instead of a time-multiplex operation of the display with its double frame rate, a space-multiplex operation is realized. At the same time, two spatially interleaved holographic reconstructions of a three-dimensional scene are coded with a single pixel arrangement, which a viewer sees separately as a result of image separation. This allows halving the frame rate.
Außerdem vermindert die Verwendung von eindimensionalen, vertikal rekonstruierenden Hologrammen in Kombination mit dem Abbilden der Szene mit inkohärentem Licht in horizontaler Richtung deutlich den Rechenaufwand zum Bereitstellen der Daten für die Kodierung. Auch die Anforderungen an die Auflösung der Pixelanordnung in horizontaler Richtung sind unkritisch, so dass sich bei geringem Aufwand großformatige Videohologramme über einen großen Bereich der sich ändernden Augenposition des Betrachters rekonstruieren lassen.In addition, the use of one-dimensional, vertically reconstructive holograms in combination with the horizontal incoherent scene mapping significantly reduces the computational overhead of providing the data for encoding. The requirements for the resolution of the pixel arrangement in the horizontal direction are not critical, so that with little effort large-format video holograms can be reconstructed over a large area of the changing eye position of the viewer.
Die verwendete linienförmige Lichtquelle ermöglicht gegenüber punktförmigen Lichtquellen eine kontinuierliche Rekonstruktion bei lateraler Betrachterbewegung. The line-shaped light source used allows a continuous reconstruction in comparison to point-shaped light sources during lateral observer movement.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zum Erzeugen des kohärenten Lichts anstelle eines Lasers beispielsweise eine konventionelle weiße Lichtquelle mit einer Schlitzmaske verwendet werden kann.Another advantage is that for producing the coherent light instead of a laser, for example, a conventional white light source with a slit mask can be used.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung werden im Folgenden in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Dabei wird das Prinzip der Erfindung an Hand einer holografischen Rekonstruktion mit monochromatischem Licht erläutert. Der Gegenstand der Erfindung ist jedoch auch für eine farbliche holografische Rekonstruktion anwendbar. In einem solchen Fall würden die steuerbaren Pixel jeder Pixelspalte die zur Farbdarstellung benötigten Grundfarben im Raum oder Zeitmultiplex darstellen.The method and the device according to the invention are described in more detail below in an exemplary embodiment. The principle of the invention will be explained with reference to a holographic reconstruction with monochromatic light. However, the object of the invention is also applicable to a color holographic reconstruction. In such a case, the controllable pixels of each pixel column would represent the basic colors needed for color representation in space or time division.
Die Zeichnungen zeigen:The drawings show:
Im ausgeführten Beispiel wird die Information über eine dreidimensionale Szene in transmissive Pixelanordnungen mit matrixförmig angeordneten Pixeln kodiert, die entsprechend der Kodierung gesteuert werden, beispielsweise nach dem Detour-Phasen-Verfahren. Bezüglich der Ausführung der Pixelanordnung ist die Ausführung des Grundgedankens der Erfindung jedoch nicht auf die beschriebene Pixelanordnung begrenzt. Es können sowohl transflektive als auch reflektive Pixelanordnungen angewendet werden und/oder auch solche, welche die Phase der Lichtwellen direkt modulieren, wie beispielsweise die Freedericksz-Zellen.In the example shown, the information about a three-dimensional scene is encoded into transmissive pixel arrangements with pixels arranged in a matrix, which are controlled according to the coding, for example by the detour-phase method. However, with regard to the implementation of the pixel arrangement, the implementation of the basic idea of the invention is not limited to the described pixel arrangement. Both transflective and reflective pixel arrangements can be used and / or those which directly modulate the phase of the light waves, such as the Freedericksz cells.
Erfindungsgemäß wird eine horizontal angeordnete linienförminge Lichtquelle
Zum Trennen der räumlich verschachtelten Hologramme dient beispielsweise eine Barrieremaske mit vertikalen, abwechselnd transparenten bzw. nichttransparenten Streifen
Der Abstand der Maske der Bildtrennmittel
Ein nicht dargestelltes Positionserfassungssystem kann die Position der Betrachterfenster nachführen.An unillustrated position detection system can track the position of observer windows.
Das Nachführen bei horizontaler Änderung der Augenposition kann durch ein Verschieben der Trennelemente der Bildtrennmittel
Stattdessen kann auch ein horizontales Verschieben der Spaltengruppen (
Beide horizontalen Verschiebungen können auch gleichzeitig ausgeführt werden. In vertikaler Richtung kann ein Nachführen durch vertikales Verschieben der linienförmigen Lichtquelle
Außerdem werden bei einer Bewegung des Betrachters nicht nur die Betrachterfenster nachgeführt. Es können auch die Inhalte der Hologramme entsprechend der Änderung der Perspektive neu berechnet und kodiert werden.In addition, not only the observer windows are tracked during a movement of the viewer. Also, the contents of the holograms can be recalculated and coded according to the change in perspective.
Die Besonderheit der Lösung gemäß der Erfindung besteht darin, dass für jedes Auge R, L des Betrachters gleichzeitig ein entsprechendes Videohologramm berechnet, kodiert und rekonstruiert wird und diese mit einer einzigen Pixelanordnung
Beide Videohologramme weisen in Bezug zueinander eine horizontale Parallaxe auf, die dem Augenabstand entspricht. Somit ist der komplette räumliche Seheindruck gewährleistet.Both video holograms have a horizontal parallax with respect to each other that corresponds to the interpupillary distance. Thus, the complete spatial visual impression is guaranteed.
Die parallele holografische Rekonstruktion der Szene für beide Augen des Betrachters gewährleistet ein natürliches Sehen, so dass mit der richtigen Fokussierung auch die Akkomodation sowie die Konvergenz der Augen des Betrachters auf beliebige Szenepunkte gegeben sind.The parallel holographic reconstruction of the scene for both eyes of the viewer ensures a natural vision, so that with the right focus and the accommodation and the convergence of the eyes of the beholder are given to any scene points.
Die Ausdehnung des Betrachterfensters liegt in vertikaler Richtung innerhalb einer Beugungsordnung und sollte nicht größer als das Periodizitätsintervall in der Rekonstruktion der Videohologramme sein. Andernfalls sieht der Betrachter eine Überlagerung der Rekonstruktion aus zwei benachbarten Beugungsordnungen. Die Größe der Fenster ist weiterhin an die Genauigkeit der Positionierung und die Geschwindigkeit der Nachführung anzupassen.The extent of the observer window lies in a vertical direction within a diffraction order and should not be greater than the periodicity interval in the reconstruction of the video holograms. Otherwise, the viewer sees a superposition of the reconstruction of two adjacent diffraction orders. The size of the windows must also be adapted to the accuracy of the positioning and the speed of the tracking.
Durch eine gezielte Einschränkung des Betrachterfensters bei der Kodierung, entsprechend der aus dem Dokument
Durch die vorliegende Erfindung wird die Verwendung von derzeit verfügbaren steuerbaren Matrizen zur Hologrammdarstellung, z. B. in Form von LC-Flachdisplays, überhaupt erst möglich.By the present invention, the use of currently available controllable matrices for hologram imaging, e.g. B. in the form of LC flat panel displays, only possible.
Bei einer Farb-Codierung rekonstruieren jeweils die alternierend angeordneten RGB-Sub-Pixel der drei Grundfarben drei jeweils einzelne Teilhologramme einer Grundfarbe, die sich zu einer gesamten farbigen Rekonstruktion zusammensetzen.In a color coding, the alternately arranged RGB sub-pixels of the three primary colors each reconstruct three individual sub-holograms of a primary color, which form a complete color reconstruction.
Die Erfindung ist sowohl für den Unterhaltungsbereich wie für Fernseh-, Multimedia-, Spielanwendungen und Mobilfonterminals als auch für kommerzielle Anwendungen wie räumliches Konstruktionsdesign, in der Medizin- und Militärtechnik, und viele andere komfortable Displaytechniken geeignet.The invention is suitable for entertainment as well as television, multimedia, gaming and mobile terminal applications, as well as commercial applications such as spatial design design, medical and military technology, and many other convenient display techniques.
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